具有集中式燃料喷射的多旋流器燃料/空气混合器 |
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| 申请号 | CN201480072856.8 | 申请日 | 2014-11-10 | 公开(公告)号 | CN105874274A | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 伍德沃德有限公司; | 发明人 | F.P.李; | ||||
| 摘要 | 一种 燃气轮机 燃烧器 组件具有 燃料 /空气混合器组件（204），所述燃料/空气混合器组件（204）具有多个燃料/空气混合器元件（206a?f）。每个燃料/空气混合器元件限定了从中通过的空气流道。燃料喷射器（202）被耦接到所述燃料/空气混合器组件。所述燃料喷射器具有末端部分（218），所述末端部分（218）具有布置成将燃料导引到所述空气/燃料混合器元件的空气流道中的多个燃料出口（220a?f）。所述燃料/空气混合器元件中的每一个具有布置成将燃料供应到所述元件的至少一个燃料出口。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种燃气轮机燃烧器组件，包括： |
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| 说明书全文 | 具有集中式燃料喷射的多旋流器燃料/空气混合器背景技术[0002] 燃气涡轮发动机是用于许多高功率应用的内燃机的优选类别。根本上来说，燃气涡轮发动机以耦接到下游的涡轮机的上游的旋转压缩机和在其间的燃烧室为特征。所述燃烧室能够包括多个混合器，以在燃烧之前混合燃料和空气。通常，每个混合器需要单独的燃料喷射器末端，以将燃料喷入到混合器的气流中。发明内容 [0003] 根据本发明的第一一般方面，一种燃气轮机燃烧器组件，包括：燃料/空气混合器组件，其包括多个燃料/空气混合器元件，每个燃料/空气混合器元件限定了从中通过的空气流道；以及燃料喷射器，其耦接到所述燃料/空气混合器组件，并且包括具有多个燃料出口的末端部分，所述多个燃料出口布置成将燃料导引到所述燃料/空气混合器元件的空气流道中，所述燃料/空气混合器元件中的每一个具有布置成将燃料供应到所述元件的至少一个出口。 [0004] 根据方面1所述的方面2，其中，所述燃料出口处于所述末端部分的侧壁中。 [0005] 根据方面1或方面2所述的方面3，其中，所述燃料/空气混合器元件各自包括文丘里管的壳体，所述文丘里管的壳体在所述壳体的侧壁中具有开口，并且所述燃料喷射器的燃料出口布置成导引燃料通过所述开口。 [0006] 根据方面1至3中任一项所述的方面4，其中，所述燃料/空气混合器元件绕中心位置布置，并且其中，所述燃料喷射器驻留在所述中心位置处。 [0007] 根据方面4所述的方面5，其中，所述燃料喷射器驻留在中心元件中。 [0008] 根据方面4或方面5所述的方面6，其中，每个燃料/空气混合器元件的中心与所述中心位置等距离。 [0009] 根据方面4至6中任一项所述的方面7，其中，所述燃料/空气混合器元件绕穿过所述中心位置的第一轴线对称地布置。 [0010] 根据方面7所述的方面8，其中，所述燃料/空气混合器元件绕穿过所述中心位置的不同的第二轴线对称地布置。 [0011] 根据方面1至8中任一项所述的方面9，包括与提到的第一燃料/空气混合器嵌套的第二燃料/空气混合器组件。 [0012] 根据方面1至9中任一项所述的方面10，其中，所述燃料喷射器包括中心燃料出口和多个外围燃料出口，所述中心燃料出口布置成将燃料导引到中心燃料/空气混合器元件中，并且所述外围燃料出口布置成将燃料导引到绕所述中心燃料/空气混合器元件布置的外围燃料/空气混合器元件中。 [0013] 根据方面1至10中任一项所述的方面11，其中，所述燃料喷射器包括第一燃料入口和第二燃料入口，其中，所述燃料出口的第一子集被流体耦接成从所述第一燃料入口接收燃料，以及其中，所述燃料出口的第二子集被流体耦接成从所述第二燃料入口接收燃料。 [0014] 根据方面1至11中任一项所述的方面12，其中，所述末端部分包括所述燃料喷射器的所有燃料出口。 [0015] 在第十三个一般方面，一种方法包括：在燃气轮机燃烧器喷射器的燃料喷射器末端部分处接收燃料；以及将所述燃料从所述燃料喷射器末端部分导引到多个燃料/空气混合器元件中。 [0016] 根据方面13所述的方面14，其中，将所述燃料从所述燃料喷射器末端部分导引到多个燃料/空气混合器元件中，包括将所述燃料从驻留在中心位置处的燃料喷射器末端部分导引到绕所述中心位置布置的多个燃料/空气混合器元件中。 [0017] 根据方面14所述的方面15，其中，每个燃料/空气混合器元件的中心与所述中心位置等距离。 [0018] 根据方面14或方面15所述的方面16，其中，将所述燃料从所述燃料喷射器末端部分导引到多个燃料/空气混合器元件中，包括从中心出口和多个外围出口导引所述燃料，每个燃料/空气混合器元件与至少一个出口相关联。 [0019] 根据方面13至16中任一项所述的方面17，其中，在所述燃气轮机燃烧器喷射器的燃料喷射器末端部分处接收燃料包括，通过流体耦接到燃料出口的第一子集的第一入口和流体耦接到燃料出口的不同的第二子集的第二入口来接收燃料，以及其中，将所述燃料从所述燃料喷射器末端部分导引到多个燃料/空气混合器元件中包括：通过使用所述第一入口和燃料出口的第一子集，并且针对通过所述第二入口和出口的第二子集的燃料流进行密封，将燃料导引到所述多个燃料/空气混合器元件的子集中。 [0020] 在第十八个一般方面，一种装置包括：多个燃气轮机燃料/空气混合器元件，其绕燃气轮机燃料喷射器的末端布置；以及处于所述末端上的所述燃气轮机燃料喷射器的多个燃料出口。 [0021] 根据方面18所述的方面19，其中，所述燃料/空气混合器元件各自包括空气流道，并且一个或多个出口被设置用于每个空气流道。 [0022] 根据方面18或方面19所述的方面20，包括到所述燃气轮机燃料喷射器的末端中的多个燃料入口，每个燃料入口供给燃料出口的不同子集。 [0024] 图1为示例性燃气涡轮发动机的半侧向剖视图。 [0025] 图2A为示例性燃气轮机燃烧器子组件的前向透视图，所述示例性燃气轮机燃烧器子组件包括燃料/空气混合器组件和燃料喷射器组件。 [0026] 图2B为图2A的示例性燃气轮机燃烧器子组件的后向透视图。 [0027] 图3为示例性燃料喷射器组件的前向透视图。 [0028] 图4A为图2A和图2B的示例性子组件的半侧向剖视图。 [0029] 图4B为图2A和图2B的示例性子组件的半侧向剖视图。 [0030] 图5A为示例性燃料喷射器末端的详细的半侧向剖视图。 [0031] 图5B为示例性燃料喷射器末端的详细的半侧向剖视图。 [0032] 图6为另一示例性燃气轮机燃烧器子组件的前向透视图。 [0033] 图7为环形燃烧器组件的一部分的视图。 [0034] 图8A为另一示例性燃气轮机燃烧器子组件的前向透视图。 [0035] 图8B为图8A的示例性燃气轮机燃烧器子组件的侧视图。 [0036] 图8C为图8A和图8B的示例性子组件的半侧向剖视图。 [0037] 相同的附图标记在各附图中指示相同的元件。 具体实施方式[0038] 图1为示例性燃气涡轮发动机10的半侧向剖视图。燃气涡轮发动机10是涡轮喷气型燃气轮机，其例如能够被用于给喷气式飞机提供动力。然而，本公开中所述的概念并非如此受限，并且能够被结合在各种其他类型的燃气涡轮发动机（例如，涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮轴发动机、工业/船用发动机或其他）的设计中。 [0039] 如图所示，燃气涡轮发动机10一般促进燃气的连续轴向流动。即，燃气一般沿图1中的箭头所指示的轴向下游的方向流过发动机10。燃气涡轮发动机10包括进气口12，其接收环境空气14，并且将所述环境空气导引到压缩机16。环境空气14被吸取通过压缩机16的多个级（stage）。离开压缩机16的高压空气18被引入到燃烧器100。在特定情况下，燃烧器100为围绕发动机的主轴20的环形燃烧器，或从轴向外径向定位的管形燃烧器。 [0040] 燃烧器100包括燃烧罩（combustion shield）102、多个燃料喷射器104以及燃烧器拱顶（combustor dome）106。在燃烧器100处，高压空气18与液体烃燃料（未示出）混合并且被点燃，以产生热的燃烧产物22。燃烧产物22通过涡轮机24的多个级。涡轮机24从高压、高温的燃烧产物22提取能量。通过涡轮机24从燃烧产物22提取的能量驱动压缩机16，所述压缩机16通过主轴20耦接到涡轮机。离开涡轮机24的排放气体26通过排放喷嘴28加速进入到大气中，以提供推力或推进动力。 [0041] 图2A和图2B分别为示例性燃气轮机燃烧器子组件200的前向和后向透视图。示例性涡轮机燃烧器子组件200混合空气和燃料，并且使得空气/燃料混合物能够在燃烧器内燃烧。子组件200中的多个被布置在一起，以形成燃烧器组件。涡轮机燃烧器子组件200能够在例如图1中所示的燃气涡轮发动机10之类的燃气涡轮发动机中实施。示例性燃气轮机燃烧器子组件200包括示例性燃料喷射器202和示例性燃料/空气混合器组件204。混合器组件204包括多个混合器元件206a、206b、206c、206d、206e、206f和中心元件208。在其他实施方式中，混合器组件204能够包括更多或更少的混合器元件。在示例性燃料/空气混合器组件 204中，混合器元件206a、206b、206c、206d、206e、206f被附连到彼此以及附连到中心元件 208，并且与中心位置等距离地绕中心元件208对称地定位。混合器元件206a-f能够按照其他构造（例如，非对称地）来定位。混合器组件204能够被耦接到燃料喷射器（例如，燃料喷射器104）以利用燃料喷射器来承载，或它能够被耦接到燃烧器拱顶（例如，拱顶106）和喷射器，所述喷射器随后耦接到混合器组件204。在一些情况下，混合器元件206a-f被耦接到拱顶106的拱顶板（dome plate）（未示出）。 [0042] 示例性混合器元件206a-f限定了内部旋流通道，其有利于空气和燃料的混合以便燃烧。在示例性燃料/空气混合器组件204中，示例性混合器元件206a-f是锥形-圆筒形-锥形、收缩-发散的文丘里管（Venturi）。在其他实施方式中，混合器元件206a-f能够是具有不同形状或采用不同构造的文丘里管。在其他实施方式中，混合器元件206a-f无需是文丘里管，并且能够包括具有不同形状或呈不同构造的通道。混合器元件206a-f相应地各自包括空气旋流器214a-f。空气旋流器214a-f位于通道内，并且对进来的空气施加旋流运动，所述旋流运动有利于空气和燃料的混合。在示例性混合器组件204中，空气旋流器是轴流式风机，但是也能够使用空气旋流器的其他构造或类型。 [0043] 中心元件208限定了中心混合器通道210，其使得能够实现气流和燃料的混合。燃料从燃料喷射器组件202供给到中心混合器通道210中，并且来自中心混合器通道210的燃料/空气混合物被燃烧。在一些实施方式中，中心元件208的后表面限定了火焰稳定器（flame holder）。从混合器元件206a-f输出的燃料/空气混合物能够被持续的火焰（standing flame）点燃，所述持续的火焰通过中心元件208的后表面保持就位。中心元件208包括多个冷却空气通道，（例如，冷却空气通道212a、212b、212c等）。通过所述冷却通道的气流有助于将中心元件208维持在对所述元件的材料而言可接受的温度内。此外，来自冷却空气通道的气流与从中心混合器通道210输出的燃料混合。 [0044] 图3示出了图2A和图2B的示例性燃料喷射器组件202的前向透视图。燃料喷射器组件202包括杆216，其具有紧固法兰和示例性末端部分218。末端部分218包括燃料喷射器的最末端。末端部分218包括多个外围燃料孔口220a-f和中心孔口222。末端部分218能够是具有圆筒形形状或某种其他形状的单管。末端部分218包括将燃料供给到孔口220a-f、222的一个或多个内部通道。 [0045] 外围孔口220a-f和中心孔口222将液体或气体燃料和/或例如水或蒸汽之类的其他流体喷射或注射到混合器组件204的气流中。孔口220a-f和222能够被设计成产生指定的喷射模式，例如用于产生喷射流、中空或实心的锥体，或者另一特定形状（例如，扇形或其他形状）。外围孔口220a-f绕末端部分218定位，径向向外定向，使得每个外围孔口220a-f位于混合器元件206a-f的侧壁中（参见图2A）。外围孔口220a-f被构造成将燃料相应地喷射到相关联的混合器元件206a-f的气流中。中心孔口222将燃料喷射到中心混合器通道210中，并且因此，喷射到中心元件208的流中。所述多个孔口220a-f和222使得燃料喷射器组件202能够使用仅单一的末端或末端部分来将燃料供应到多个混合器元件。孔口220a-f和222能够是螺接或以其他方式安装到末端部分218中的孔口装置，或者这些孔口能够是在末端部分218的侧壁中一体化的（例如，机加工、激光切割或其他）。 [0046] 示例性燃料喷射器组件202包括燃料供给装置224a-c，其是杆216和末端部分218内的内部通道或管。燃料供给装置224a-c被流体连接到外围孔口220a-f和中心孔口222。燃料供给装置224a-c将燃料供应到孔口220a-f和222。在一些实施方式中，燃料供给装置224a-c能够包括末端部分218内的环形通道。燃料供给装置224a-c以及孔口220a-f和222能够被连接，使得一个燃料供给装置（例如，224a）将燃料供应到所述孔口的一个子集或一组孔口（例如，220a、220c、220e）。同样，单独的燃料供给装置（例如，224b）能够将燃料供应到所述孔口的另一子集或另一组孔口（例如，220b、220d、220f）。中心孔口222还能具有其自己的燃料供给装置（例如，224b）。燃料供给装置和孔口能够按照该构造或另一构造来连接，并且能够使用更多或更少的燃料供给装置或孔口。以这种方式，示例性燃料喷射器组件能够选择性地将燃料独立地供应或不供应到第一组孔口（并且因此，第一组混合器元件）以及供应或不供应到第二组孔口（并且因此，第二组混合器元件），从而使得能够给混合器元件分阶段（staging），以产生不同的燃烧状态。燃料喷射器组件能够被设计成分别地控制孔口的任何数量的组。因此，燃料喷射器组件能够是分阶段系统（staged system），其设计成将燃料独立地供应到孔口和混合器元件的不同的组。 [0047] 图4A为示例性燃气轮机燃烧器子组件200的剖视图。图2A中示出了针对图4A的剖切平面4A-4A。图4A的剖视图示出了混合器组件204包括示例性冷却空气进气通道228a、228b。空气进气通道228a、228b是如下通道，即：所述通道允许气流进入中心混合器元件208中的冷却空气通道（例如，212a、212b、212c），并且还为鼓风喷射器末端222提供外部旋流空气232。混合器组件204能够包括更多或更少的冷却空气进气通道，并且能够不同地构造。图 4还示出了末端部分218中的示例性空气旋流器230。空气旋流器230为轴流式风机，其促进内部旋流空气到中心元件208中的鼓风喷射器末端。在其他构造中，能够使用不同类型的旋流器。图4B为图2A中所示的4B-4B的剖视图。外围压力雾化末端220c和220f各自与外围混合器元件206c、206f的侧壁中的开放端口222c、222f对准，以有利于燃料喷射到混合器元件中的气流中。 [0048] 图5A和图5B示出了两种示例性类型的燃料喷射器末端300和350的剖视图。示例性燃料喷射器300和350能够在例如图2-4中所示的末端部分218之类的燃料喷射器末端部分中实施。图5A示出了鼓风类型的燃料喷射器末端300和外围压力雾化喷射末端301。在先附图的示例性末端部分218被示出为包括如同燃料喷射器末端300的鼓风类型的燃料喷射器末端。图2B示出了压力雾化类型的燃料喷射器末端350。燃料喷射器末端的这些和其他类型或组合能够在本文所述的末端部分中实施。 [0049] 图6示出了示例性燃气轮机燃烧器子组件400。示例性燃气轮机燃烧器子组件400基本上相似于先前示出的示例性燃气轮机燃烧器子组件200。示例性燃气轮机燃烧器子组件400包括示例性燃料喷射器402和示例性燃料/空气混合器组件404。混合器组件404包括多个混合器元件406a、406b、406c、406d以及中心元件408。燃气轮机燃烧器组件400包括空气冷却通道412a、412b和燃料或流体供给装置424a-c。气体燃料喷射器402包括多个孔口（例如，孔口420d），其被构造成提供燃料给混合器元件406a-d和408。混合器组件404包括五个混合器元件（四个绕中心元件对称并且与之等距离），而先前的混合器组件204包括七个混合器元件。如下面所论述的，混合器组件204和混合器组件404被布置成嵌套在一起。 [0050] 图7示出了环形燃料喷射器组件500的一部分。环形燃料喷射器组件500为按照环形布置结构来定位的燃烧器子组件的集群（collection）。在特定情况下，组件500能够包括燃烧器子组件的多个同心的环形布置结构。环形燃料喷射器组件500所描绘的部分示出了拱顶板组件508之后的三个燃烧器子组件502、504、506。混合器组件502和506基本上相似于先前所示的混合器组件204，并且混合器组件504基本上相似于先前所示的混合器组件404。例如混合器元件406a-d之类的混合器元件被布置在混合器组件504中，使得可获得空间来容纳混合器组件502和506上的突出的混合器元件，例如，元件206b和206e。如此，混合器组件204和混合器组件404的组合能够被平铺（tile）或嵌套（nest）以填充空间，如图7中所示。 在一些实施方式中，能够使用环形燃料喷射器组件的多种布置结构。在一些实施方式中，混合器元件能够被布置成填充不同于环的空间（例如，圆形空间）。混合器组件还能具有混合器元件的不同的布置结构，使得混合器组件不同于所示地嵌套。 [0051] 图8A、图8B和图8C示出了另一示例性燃气轮机燃烧器子组件500。燃烧器子组件500相似于图2-4中所示的示例性燃气轮机燃烧器子组件200。燃烧器子组件500包括燃料喷射器组件502和混合器组件504。燃料喷射器组件502包括多个燃料供给装置524a和524b，以及喷射器末端部分518。混合器组件504包括混合器元件506a-g。如同燃烧器子组件200，具有单末端部分518的单燃料喷射器202被用于将燃料供应到多个混合器元件。示例性混合器组件500被耦接到拱顶板530。拱顶板530为例如图1中所示的拱顶106之类的燃烧器的拱顶的一个部段。喷射器末端部分518能够包含多个孔口，以将燃料导引到每个混合器元件 506a-g的气流中。在该示例中，燃料喷射器末端部分518使用压力雾化设计，但是也能够使用其他燃料喷射器末端的类型。混合器组件能够具有更多或更少的混合器元件，并且混合器元件可以被构造或布置成靠近其他混合器元件或混合器组件嵌套。 [0052] 混合器元件506a-g限定了文丘里管或通道，其将气流导引到燃烧器中，并且促进燃料/空气混合。每个混合器元件506a-g在其壁中包括多个成一定角度倾斜的空气孔。所述成一定角度倾斜的空气孔提供混合器元件壁的冷却以及用于燃料/空气混合的附加的旋流气流。所述成一定角度倾斜的空气孔能够具有如所示的对称的布置结构，或具有另一布置结构。所述成一定角度倾斜的空气孔也能位于混合器元件的通道上的不同位置处。混合器元件506a-g还能包括位于通道内的空气旋流器514a-g（例如，轴流式风机），以进一步促进燃料/空气混合。 [0053] 值得注意的是，已结合用于燃气涡轮发动机的燃烧器和子组件论述了本文中的概念。然而，它们并非如此受限。例如，相同的概念能够适用于其他形式的发动机，以及使用燃烧器和/或燃烧室的其他设备。 |
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